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目录 第一部分金相显微镜的使用和金相试样的制备 第二部分Fe-Fe3C标准金相样品的显微观察 第三部分实验报告要求 ………………………23
目 录 第一部分 金相显微镜的使用和金相试样的制备 ……………1 第二部分 Fe-Fe3C 标准金相样品的显微观察 ………………15 第三部分 实验报告要求………………………………………23
第一部分金相显微镜的使用和金相试样的制备 实验目的 1.初步掌握金相显微镜的原理及使用方法。 2.掌握金相试样的制备方法。 二、实验概述 金相显微镜是进行金属显微分析的主要工具。将专门制备的金属试祥放在金相 显微镜下进行放大和观察,可以研究金属组织与其成分和性能之间的关系,确定各 种金属经不同加工及热处理后的显微组织;鉴别金属材料质量的优劣,如各种非金 属夹杂物在组织中的数量及分布情况,以及金属晶粒度大小等。因此,利用金相显 微镜来观察金属的内部组织与缺陷是金属材料硏究中的一种基本实验技术 简单地讲,金相显微镜是利用光线的反射将不透明物件放大后进行观察的 在生产与科研中,经常需要利用金相显微镜对金属材料的显微组织进行检验和 分析。由于金相显微镜是借助试样表面对光线的反射来呈现显微组织状态的,所以 首先要把样品观察面制成光滑平面,而后通过浸蚀使其不同组织显示出微观的凹凸 不平,从而在显微镜下观察到亮暗不同的显微组织特征。为了得到合格的金相显微 试样,避免因出现假象而导致错误的判断,需要掌握正确的制样方法。 下面分别介绍金相显微镜的基本原理和使用方法,以及金相制样方法。 三、金相显微镜的原理及使用 1、金相显微镜的光学放大原理 金相显微镜是依靠光学系统实现放大作用的,其基本原理如图1-1所示。光学系 统主要包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。对着被观察物体AB的一组透镜叫物 镜O1;对着眼睛的一组透镜叫目镜O2。现代显微镜购物镜和目镜都是由复杂的透镜 系统所组成,放大倍数可提高到1600-2000倍。 物镜 图1-1金相显微镜的光学放大原理示意图
1 第一部分 金相显微镜的使用和金相试样的制备 一、实验目的 1. 初步掌握金相显微镜的原理及使用方法。 2. 掌握金相试样的制备方法。 二、实验概述 金相显微镜是进行金属显微分析的主要工具。将专门制备的金属试祥放在金相 显微镜下进行放大和观察，可以研究金属组织与其成分和性能之间的关系，确定各 种金属经不同加工及热处理后的显微组织；鉴别金属材料质量的优劣，如各种非金 属夹杂物在组织中的数量及分布情况，以及金属晶粒度大小等。因此，利用金相显 微镜来观察金属的内部组织与缺陷是金属材料研究中的一种基本实验技术。 简单地讲，金相显微镜是利用光线的反射将不透明物件放大后进行观察的。 在生产与科研中，经常需要利用金相显微镜对金属材料的显微组织进行检验和 分析。由于金相显微镜是借助试样表面对光线的反射来呈现显微组织状态的，所以 首先要把样品观察面制成光滑平面，而后通过浸蚀使其不同组织显示出微观的凹凸 不平，从而在显微镜下观察到亮暗不同的显微组织特征。为了得到合格的金相显微 试样，避免因出现假象而导致错误的判断，需要掌握正确的制样方法。 下面分别介绍金相显微镜的基本原理和使用方法，以及金相制样方法。 三、金相显微镜的原理及使用 1、 金相显微镜的光学放大原理 金相显微镜是依靠光学系统实现放大作用的，其基本原理如图 1-1 所示。光学系 统主要包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。对着被观察物体 AB 的一组透镜叫物 镜 O1；对着眼睛的一组透镜叫目镜 O2。现代显微镜购物镜和目镜都是由复杂的透镜 系统所组成，放大倍数可提高到 1600-2000 倍。 图 1-1 金相显微镜的光学放大原理示意图
当被观察物体AB置于物镜前焦点略远处时,物体的反射光线穿过物镜经折射 后,得到一个放大的倒立实像A′B′(称为中间像)。若A′B′处于目镜焦距之内, 则通过目镜观察到的物像是经目镜再次放大了的虚像A"B”。由于正常人眼观察物 体时最适宜的距离是250mm(称为明视距离),因此在显微镜设计上,应让虚像A"B 正好落在距人眼250mm处,以使观察到的物体影像最清晰。 2、金相显微镜的主要性能 (1)放大倍数显微镜的放大倍数为物镜放大倍数M物和目镜放大倍数M的 乘积,即 M=M物XM月≈LD 式中,f一物镜的焦距,fg-目镜的焦距;L一显微镜的光学镜筒长度;D 明视距离(250mm)。f物,f越短或L越长,则显微镜的放大倍数越高。有的小型 显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数,因为它的镜筒长度比一般显微镜短些。显 微镜的主要放大倍数一般是通过物镜来保证。物镜的最高放大倍数可达100倍,目 镜的放大倍数可达25倍。在物镜和目镜的镜筒上,均标注有放大倍数。放大倍数常 用符号 表示,如100×,200×等 (2)鉴别率金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距 离d的能力。d值越小,鉴别率越髙。根据光学衍射原理,试样上的某一点通过物镜 成像后,我们看到的并不是一个真正的点像,而是具有一定尺寸的白色团斑,四周 围绕着许多衍射环。当试样上两个相邻点的距离极近时,成像后由于部分重迭而不 能分清为两个点。只有当试样上两点距离达到某一d值时,才能将两点分辨清楚 显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长(A)和物镜的数值孔径(A),而d与目 镜无关,其d值可由下式计算: d 2A 在一般显微镜中,光源的波长可通过加滤色片来改变。例如,蓝光的波长(A 044u)比黄绿光(A=0.55u)短,所以鉴别率较黄绿光高25%。当光源的波长一定时 可通过改变物镜的数值孔径A来调节显微镜的鉴别率。 (3)物镜的数值孔径物镜的数值孔径表示物镜的聚光能力,如图1-2所示。 数值孔径大的物镜聚光能力强,能吸收更多的光线,使物象更清晰。数值孔径A可 由下式计算: A=n·snq 入射光线 物自 过辩 图1-2物镜孔径角
2 当被观察物体 AB 置于物镜前焦点略远处时，物体的反射光线穿过物镜经折射 后，得到一个放大的倒立实像 A′B′(称为中间像)。若 A′B′处于目镜焦距之内， 则通过目镜观察到的物像是经目镜再次放大了的虚像 A″B″。由于正常人眼观察物 体时最适宜的距离是250mm(称为明视距离)，因此在显微镜设计上，应让虚像A″B″ 正好落在距人眼 250mm 处，以使观察到的物体影像最清晰。 2、 金相显微镜的主要性能 (1) 放大倍数 显微镜的放大倍数为物镜放大倍数 M 物和目镜放大倍数 M 目的 乘积，即： 式中，f 物一物镜的焦距，f 目一目镜的焦距；L 一显微镜的光学镜筒长度；D 一明视距离(250mm)。f 物，f 目越短或 L 越长，则显微镜的放大倍数越高。有的小型 显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微镜短些。显 微镜的主要放大倍数一般是通过物镜来保证。物镜的最高放大倍数可达 100 倍，目 镜的放大倍数可达 25 倍。在物镜和目镜的镜筒上，均标注有放大倍数。放大倍数常 用符号“×”表示，如 100×，200×等。 (2) 鉴别率 金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距 离 d 的能力。d 值越小，鉴别率越高。根据光学衍射原理，试样上的某一点通过物镜 成像后，我们看到的并不是一个真正的点像，而是具有一定尺寸的白色团斑，四周 围绕着许多衍射环。当试样上两个相邻点的距离极近时，成像后由于部分重迭而不 能分清为两个点。只有当试样上两点距离达到某一 d 值时，才能将两点分辨清楚。 显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长(λ )和物镜的数值孔径(A)，而 d 与目 镜无关，其 d 值可由下式计算： 在一般显微镜中，光源的波长可通过加滤色片来改变。例如，蓝光的波长(λ ＝ 0.44μ )比黄绿光(λ ＝0.55μ )短，所以鉴别率较黄绿光高 25％。当光源的波长一定时， 可通过改变物镜的数值孔径 A 来调节显微镜的鉴别率。 (3) 物镜的数值孔径 物镜的数值孔径表示物镜的聚光能力，如图 1-2 所示。 数值孔径大的物镜聚光能力强，能吸收更多的光线，使物象更清晰。数值孔径 A 可 由下式计算： A＝n·sinφ 图 1-2 物镜孔径角
式中M—物镜与试样之间介质的折射率φ一物镜孔径角的一半,即通过物镜边 缘的光线与物镜轴线所成夹角 n越大或φ越大,则A越大,物镜的鉴别率就越高。由于φ总是小于90°的, 所以在空气介质(n=1)中使用时,A一定小于1,这类物镜称干系物镜。若在物镜与 试样之间充满松柏油介质(n=1.52),则A值最高可达14,这就是显微镜在高倍观察 时用的油浸系物镜(简称油镜头)。每个物镜都有一个额定A值,与放大倍数一起标 到在物镜镜头上, (4)放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系显微镜的同一放大倍数可由不同 倍数的物镜和目镜组合起来实现,但存在着如何合理选用物镜和目镜的问题。这是 因为,人眼在250mm处的鉴别率为0.15-030mm,要使物镜可分辨的最近两点的距 离能为人眼所分辨,则必须将d放大到0.15-0.30mm,即: d×M=0.15-0.30mm d= 2A M=+(0.3~0.6)A 在常用光线的波长范围内,上式可进一步简化为: M≈500A-1000A 所以,显微镜的放大倍数M与物镜的数值孔径之间存在一定关系,其范围称 有效放大倍数范围。在选用物镜时,必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的 500倍至1000倍之间。若M<500A,则未能充分发挥物镜的鉴别率。若M>1000A, 则由于物镜鉴别率不足而形成“虚伪放大”,细微部分仍分辨不清 (5)透镜成像的质量单片透镜在成像过程中,由于几何条件的限制及其它 因素的影响,常使影像变得模糊不清或发生变形现象,这种缺陷称为像差。由于物 镜起主要放大作用,所以显微镜成像的质量主要取决于物镜,应首先对物镜像差进 行校正。普通透镜成像的主要缺陷有球面像差、色像差和像域弯曲三种。 ①球面像差。如图1-3所示,当来自A点的单色光(即某一特定波长的光线)通 过透镜后由于透镜表面呈球曲形,折射光线不能交于一点,从而使放大后的影像变 得模糊不清。 图1-3球面像差示意图 图1-4色像差示意图 为降低球面像差,常采用由多片透镜组成的透镜组,即:将凸透镜和凹透镜 组合在一起(称为复合透镜)。由于这两种透镜的球面像差性质相反,因此可以相互抵 消。除此之外,在使用显微镜时,也可采取调节孔径光栏的方法,适当控制入射光 束粗细,让极细一束光通过透镜中心部位,这样可将球面像差降至最低限度。 ②色像差。如图1-4所示,当来自A点的白色光通过透镜后,由于组成白
3 式中 M—物镜与试样之间介质的折射率;φ —物镜孔径角的一半，即通过物镜边 缘的光线与物镜轴线所成夹角。 n 越大或φ 越大，则 A 越大，物镜的鉴别率就越高。由于φ 总是小于 90°的， 所以在空气介质(n＝1)中使用时，A 一定小于 1，这类物镜称干系物镜。若在物镜与 试样之间充满松柏油介质(n=1.52)，则 A 值最高可达 1.4，这就是显微镜在高倍观察 时用的油浸系物镜(简称油镜头)。每个物镜都有一个额定 A 值，与放大倍数一起标 到在物镜镜头上。 (4) 放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系 显微镜的同一放大倍数可由不同 倍数的物镜和目镜组合起来实现，但存在着如何合理选用物镜和目镜的问题。这是 因为，人眼在 250mm 处的鉴别率为 0.15—0.30mm，要使物镜可分辨的最近两点的距 离能为人眼所分辨，则必须将 d 放大到 0.15—0.30mm，即： d×M=0.15—0.30mm 则 在常用光线的波长范围内，上式可进一步简化为： M≈500A-1000A 所以，显微镜的放大倍数 M 与物镜的数值孔径之间存在一定关系，其范围称 有效放大倍数范围。在选用物镜时，必须使显微镜的放大倍数在该物镜数值孔径的 500 倍至 1000 倍之间。若 M＜500A，则未能充分发挥物镜的鉴别率。若 M＞1000A， 则由于物镜鉴别率不足而形成“虚伪放大”，细微部分仍分辨不清。 (5) 透镜成像的质量 单片透镜在成像过程中，由于几何条件的限制及其它 因素的影响，常使影像变得模糊不清或发生变形现象，这种缺陷称为像差。由于物 镜起主要放大作用，所以显微镜成像的质量主要取决于物镜，应首先对物镜像差进 行校正。普通透镜成像的主要缺陷有球面像差、色像差和像域弯曲三种。 ① 球面像差。如图 1-3 所示，当来自 A 点的单色光(即某一特定波长的光线)通 过透镜后由于透镜表面呈球曲形，折射光线不能交于一点，从而使放大后的影像变 得模糊不清。 图 1-3 球面像差示意图 图 1-4 色像差示意图 为降低球面像差，常采用由多片透镜组成的透镜组，即：将凸透镜和凹透镜 组合在一起(称为复合透镜)。由于这两种透镜的球面像差性质相反，因此可以相互抵 消。除此之外，在使用显微镜时，也可采取调节孔径光栏的方法，适当控制入射光 束粗细，让极细一束光通过透镜中心部位，这样可将球面像差降至最低限度。 ② 色像差。如图 1-4 所示，当来自 A 点的白色光通过透镜后，由于组成白